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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.6: Quantization Characteristics"

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m (Textersetzung - „*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.“ durch „ “)
 
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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Pulscodemodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1623__Mod_Z_4_5.png|right|frame|Nichtlineare Quantisierungskennlinien]]
+
[[File:EN_Mod_A_4_6_neu.png|right|frame|Non-linear quantization characteristics]]
Es wird die nichtlineare Quantisierung betrachtet und es gilt weiterhin das Systemmodell gemäß [[Aufgaben:4.5_Nichtlineare_Quantisierung| Aufgabe 4.5]]. Die Grafik zeigt zwei Kompressorkennlinien qK(qA):
+
Non-linear quantization is considered.  The system model according to  [[Aufgaben:Exercise_4.5:_Non-Linear_Quantization| Exercise 4.5]] still applies.  
* Rot eingezeichnet ist die sogenannte '''A–Kennlinie''', die vom CCITT (''Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique'') für das Standardsystem PCM 30/32 empfohlen wurde. Für 0qA1 gilt hier:
 
:qK(qA)={1+ln(AqA)1+ln(A)AqA1+ln(A)1AqA1,qA<1A.
 
* Der blau–gestrichelte Kurvenzug gilt für die sog. '''13–Segment–Kennlinie'''. Diese ergibt sich aus der A–Kennlinie durch stückweise Linearisierung; sie wird in der [[Aufgaben:4.5_Nichtlineare_Quantisierung| Aufgabe 4.5]] ausführlich behandelt.
 
  
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The graph shows two compressor characteristics &nbsp;qK(qA):
 +
* Drawn in red is the so-called&nbsp; "'''A-characteristic'''" recommended by the CCITT&nbsp; ("Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique")&nbsp; for the standard system PCM 30/32.&nbsp; For &nbsp;0qA1&nbsp; applies here:
 +
:qK(qA)={1+ln(AqA)1+ln(A)AqA1+ln(A)1/AqA1,qA<1/A.
 +
* The blue-dashed curve applies to the so-called&nbsp; "'''13-segment characteristic'''".&nbsp; This is obtained from the A-characteristic by piecewise linearization;&nbsp; it is treated in detail in the&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_4.5:_Non-Linear_Quantization| Exercise 4.5]]&nbsp;.
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation|Pulscodemodulation]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite  [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation#Kompression_und_Expandierung|Kompression und Expandierung]].
 
 
*Für die durchgehend rot gezeichnete A-Kennlinie ist der Quantisierungsparameter A=100 gewählt. Mit dem vom CCITT vorgeschlagenen Wert A=87.56 ergibt sich näherungsweise der gleiche Verlauf.
 
*Für die beiden weiteren Kurven gilt A=A1 (strich&ndash;punktierte Kurve) bzw. A=A2 (punktierte Kurve), wobei für A1 bzw. A2 die beiden möglichen Zahlenwerte 50 und 200 vorgegeben sind. In der Teilaufgabe (3) sollen Sie entscheiden, welche Kurve zu welchem Zahlenwert gehört.
 
  
  
  
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The Exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Pulse Code Modulation"]].
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*Reference is made in particular to the page&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation#Compression_and_expansion|"Compression and Expansion"]].
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*For the A-characteristic drawn in solid red,&nbsp; the quantization parameter &nbsp;$A = 100&nbsp; is chosen.&nbsp; With the value &nbsp;A = 87.56$&nbsp; suggested by CCITT,&nbsp; a similar curve is obtained.
 +
*For the other two curves,
 +
:*&nbsp;$A = A_1$&nbsp; (dash&ndash;dotted curve) and
 +
:*&nbsp;A=A2&nbsp; (dotted curve),&nbsp;
 +
 
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where for &nbsp;A1&nbsp; and &nbsp;A2&nbsp; the two possible numerical values &nbsp;50&nbsp; and &nbsp;200&nbsp; are given.&nbsp; In the subtask&nbsp; '''(3)'''&nbsp; you are to decide which curve belongs to which numerical value.
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Argumente sprechen für die nichtlineare Quantisierung?
+
{What are the arguments for non-linear quantization?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Das größere SNR – auch bei gleichwahrscheinlichen Amplituden.  
+
- The larger SNR &ndash; even with equally likely amplitudes.  
+ Bei Audio sind kleine Amplituden wahrscheinlicher als große.
+
+ For audio,&nbsp; small amplitudes are more likely than large ones.
+ Die Verfälschung kleiner Amplituden ist subjektiv störender.
+
+ The distortion of small amplitudes is subjectively more disturbing.
  
{Welche Unterschiede gibt es zwischen der A––Kennlinie und der 13–Segment–Kennlinie?
+
{What are the differences between the&nbsp; "A-characteristic" and the&nbsp; "13-segment characteristic"?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die A–Kennlinie beschreibt einen kontinuierlichen Verlauf.
+
+ The A-characteristic curve describes a continuous course.
+ Die 13–Segment–Kurve nähert die A–Kennlinie stückweise linear an.
+
+ The 13-segment curve approximates the A-characteristic linearly piece by piece.
- Bei der Realisierung zeigt die A–Kennlinie wesentliche Vorteile.
+
- In the realization,&nbsp; the A-characteristic shows significant advantages.
  
{Lässt sich allein aus $q_{\rm A} = 1 &nbsp; ⇒ &nbsp; q_{\rm K} = 1$ der Parameter A ableiten?
+
{Can the parameter &nbsp;A&nbsp; be derived from &nbsp;$q_{\rm A} = 1$ &nbsp; ⇒ &nbsp; $q_{\rm K} = 1$&nbsp; alone?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Ja.  
+
- Yes.  
+ Nein.  
+
+ No.  
  
{Lässt sich A bestimmen, wenn man vorgibt, dass der Übergang zwischen den beiden Bereichen kontinuierlich sein soll?  
+
{Can the parameter &nbsp;A&nbsp; be determined if we specify that the transition between the two domains should be continuous?  
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Ja.  
+
- Yes.  
+ Nein.  
+
+ No.  
  
{Bestimmen Sie A aus der Bedingung $q_{\rm K}(q_{\rm K} = 1/2) = 0.8756$.
+
{Determine the parameter &nbsp;A&nbsp; from the condition &nbsp;$q_{\rm K}(q_{\rm A} = 1/2) = 0.8756$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
A =  { 94 3% }  
 
A =  { 94 3% }  
  
{Welche Parameterwerte wurden für die weiteren Kurven verwendet?
+
{What parameter values were used for the other curves?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Es gilt A1=50 und A2=200.
+
- It holds &nbsp;A1=50&nbsp; and &nbsp;A2=200.
+ Es gilt A1=200 und A2=50.
+
+ It holds &nbsp;A1=200&nbsp; and &nbsp;A2=50.
 
 
  
  
Line 60: Line 69:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
  
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Aussagen 2 und 3</u>:  
+
'''(1)'''&nbsp; Correct are the&nbsp; <u>statements 2 and 3</u>:  
*Eine Signalverfälschung von leisen Tönen oder in Sprachpausen wird subjektiv als störender empfunden als zum Beispiel ein zusätzliches Geräusch bei Heavy Metal.  
+
*Signal distortion of soft sounds or in speech pauses is subjectively perceived as more disturbing than e.g. additional noise in heavy metal.  
*Bezüglich des Quantisierungsrauschens bzw. des SNR gibt es durch eine nichtlineare Quantisierung allerdings keine Verbesserung, wenn von einer Gleichverteilung der Amplitudenwerte ausgegangen wird.  
+
*In terms of quantization noise or SNR,&nbsp; however,&nbsp; there is no improvement due to non-linear quantization if an uniformly distribution of the amplitude values is assumed.  
*Berücksichtigt man aber, dass bei Sprach– und Musiksignalen kleinere Amplituden sehr viel häufiger auftreten als große &nbsp; &Rarr; &nbsp; ''Laplaceverteilung'', so ergibt sich durch die nichtlineare Quantisierung auch ein besseres SNR.
+
*However,&nbsp; if one considers that in speech and music signals smaller amplitudes occur much more frequently than large &nbsp; &rArr; &nbsp; "Laplace distribution",&nbsp; non-linear quantization also results in a better SNR.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
'''(2)'''&nbsp; Correct are the&nbsp;<u>statements 1 and 2</u>:
 +
*Due to the linearization in the individual segments,&nbsp; the interval width of the various quantization levels is constant in these for the&nbsp; "13-segment characteristic",&nbsp; which has a favorable effect in realization.
 +
*In contrast,&nbsp; with the non-linear quantization according to the&nbsp; "A-characteristic",&nbsp; there are no quantization intervals of equal width.&nbsp; <br>This means: &nbsp; The statement 3 is false.
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Aussagen 1 und 2</u>:
 
*Durch die Linearisierung in den einzelnen Segmenten ist in diesen bei der 13–Segment–Kennlinie die Intervallbreite der verschiedenen Quantisierungsstufen konstant, was sich bei der Realisierung günstig auswirkt.
 
*Dagegen gibt es bei der nichtlinearen Quantisierung gemäß der A–Kennlinie keine Quantisierungsintervalle gleicher Breite. Das bedeutet: Die Aussage 3 ist falsch.
 
  
 +
'''(3)'''&nbsp; Correct is&nbsp; "<u>NO</u>":
 +
*For&nbsp; qA=1&nbsp; one obtains independently of&nbsp; A&nbsp; the value&nbsp; qK=1.
 +
*So with this specification alone&nbsp; A&nbsp; cannot be determined.
 +
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig ist <u>NEIN</u>:
 
*Für qA=1 erhält man unabhängig von A den Wert qA=1.
 
*Allein mit dieser Vorgabe kann A also nicht ermittelt werden.
 
  
 +
'''(4)'''&nbsp; Correct is again&nbsp; "<u>NO</u>":
 +
*For&nbsp; qA=1/A&nbsp; both range equations yield the same value&nbsp; qK=1/[1+ln(A)].
 +
*Also with this&nbsp; A&nbsp; cannot be determined.
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig is twiederum  <u>NEIN</u>:
 
*Für qA=1/A liefern beide Bereichsgleichungen den gleichen Wert qK=1/[1+ln(A)].
 
*Auch damit kann A nicht bestimmt werden.
 
  
  
'''(5)'''&nbsp; Mit dieser Forderung ist A nun berechenbar:
+
'''(5)'''&nbsp; With this requirement&nbsp; A&nbsp; is now computable:
 
:$$0.875 = \frac{1 \hspace{0.05cm}+\hspace{0.05cm} {\rm ln}(A/2)} {1
 
:$$0.875 = \frac{1 \hspace{0.05cm}+\hspace{0.05cm} {\rm ln}(A/2)} {1
 
\hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}{\rm ln}(A )} =
 
\hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}{\rm ln}(A )} =
Line 96: Line 109:
 
94} \hspace{0.05cm}.$$
 
94} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(6)'''&nbsp; Richtig ist die <u>Aussage 2</u>:
+
 
*Die Kurve für A1=200 liegt oberhalb der Kurve mit A=100, die Kurve mit A2=50 unterhalb.  
+
 
*Dies zeigt die folgende Rechnung für qA=0.5:
+
'''(6)'''&nbsp; Correct is&nbsp; <u>statement 2</u>:
 +
*The curve for &nbsp;A1=200&nbsp; lies above the curve with &nbsp;A=100,&nbsp; the curve with &nbsp;A2=50&nbsp; below.  
 +
*This is shown by the following calculation for &nbsp;qA=0.5:
 
:$$A= 100\text{:}\hspace{0.2cm} q_{\rm K}= \frac{1 + \ln(100) - \ln(2)}{1 + \ln(100)}=
 
:$$A= 100\text{:}\hspace{0.2cm} q_{\rm K}= \frac{1 + \ln(100) - \ln(2)}{1 + \ln(100)}=
 
\frac{1+4.605- 0.693} {1 +4.605}\approx
 
\frac{1+4.605- 0.693} {1 +4.605}\approx
0.876 \hspace{0.05cm},$$
+
0.876 \hspace{0.05cm},$$
 
:$$A= 200\text{:}\hspace{0.2cm} q_{\rm K}= \frac{1+5.298- 0.693} {1 +5.298}\approx
 
:$$A= 200\text{:}\hspace{0.2cm} q_{\rm K}= \frac{1+5.298- 0.693} {1 +5.298}\approx
0.890 \hspace{0.05cm},$$
+
0.890 \hspace{0.05cm},$$
 
:$$A= 50\text{:}\hspace{0.4cm} q_{\rm K}= \frac{1+3.912- 0.693} {1 +3.912}\approx
 
:$$A= 50\text{:}\hspace{0.4cm} q_{\rm K}= \frac{1+3.912- 0.693} {1 +3.912}\approx
0.859 \hspace{0.05cm}.$$
+
0.859 \hspace{0.05cm}.$$
  
  
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^4.1 Pulscodemodulation^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.1 Pulse Code Modulation^]]

Latest revision as of 16:01, 11 April 2022

Non-linear quantization characteristics

Non-linear quantization is considered.  The system model according to  Exercise 4.5 still applies.

The graph shows two compressor characteristics  qK(qA):

  • Drawn in red is the so-called  "A-characteristic" recommended by the CCITT  ("Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique")  for the standard system PCM 30/32.  For  0qA1  applies here:
qK(qA)={1+ln(AqA)1+ln(A)AqA1+ln(A)1/AqA1,qA<1/A.
  • The blue-dashed curve applies to the so-called  "13-segment characteristic".  This is obtained from the A-characteristic by piecewise linearization;  it is treated in detail in the  Exercise 4.5 .




Hints:

  • The Exercise belongs to the chapter  "Pulse Code Modulation".
  • Reference is made in particular to the page  "Compression and Expansion".
  • For the A-characteristic drawn in solid red,  the quantization parameter  A=100  is chosen.  With the value  A=87.56  suggested by CCITT,  a similar curve is obtained.
  • For the other two curves,
  •  A=A1  (dash–dotted curve) and
  •  A=A2  (dotted curve), 

where for  A1  and  A2  the two possible numerical values  50  and  200  are given.  In the subtask  (3)  you are to decide which curve belongs to which numerical value.



Questions

1

What are the arguments for non-linear quantization?

The larger SNR – even with equally likely amplitudes.
For audio,  small amplitudes are more likely than large ones.
The distortion of small amplitudes is subjectively more disturbing.

2

What are the differences between the  "A-characteristic" and the  "13-segment characteristic"?

The A-characteristic curve describes a continuous course.
The 13-segment curve approximates the A-characteristic linearly piece by piece.
In the realization,  the A-characteristic shows significant advantages.

3

Can the parameter  A  be derived from  qA=1   ⇒   qK=1  alone?

Yes.
No.

4

Can the parameter  A  be determined if we specify that the transition between the two domains should be continuous?

Yes.
No.

5

Determine the parameter  A  from the condition  qK(qA=1/2)=0.8756.

A = 

6

What parameter values were used for the other curves?

It holds  A1=50  and  A2=200.
It holds  A1=200  and  A2=50.


Solution

(1)  Correct are the  statements 2 and 3:

  • Signal distortion of soft sounds or in speech pauses is subjectively perceived as more disturbing than e.g. additional noise in heavy metal.
  • In terms of quantization noise or SNR,  however,  there is no improvement due to non-linear quantization if an uniformly distribution of the amplitude values is assumed.
  • However,  if one considers that in speech and music signals smaller amplitudes occur much more frequently than large   ⇒   "Laplace distribution",  non-linear quantization also results in a better SNR.


(2)  Correct are the statements 1 and 2:

  • Due to the linearization in the individual segments,  the interval width of the various quantization levels is constant in these for the  "13-segment characteristic",  which has a favorable effect in realization.
  • In contrast,  with the non-linear quantization according to the  "A-characteristic",  there are no quantization intervals of equal width. 
    This means:   The statement 3 is false.


(3)  Correct is  "NO":

  • For  qA=1  one obtains independently of  A  the value  qK=1.
  • So with this specification alone  A  cannot be determined.


(4)  Correct is again  "NO":

  • For  qA=1/A  both range equations yield the same value  qK=1/[1+ln(A)].
  • Also with this  A  cannot be determined.


(5)  With this requirement  A  is now computable:

0.875=1+ln(A/2)1+ln(A)=1ln(2)+ln(A)1+ln(A)10.693+ln(A)1+ln(A)ln(A)=0.8750.30710.875=4.544A94_.


(6)  Correct is  statement 2:

  • The curve for  A1=200  lies above the curve with  A=100,  the curve with  A2=50  below.
  • This is shown by the following calculation for  qA=0.5:
A=100:qK=1+ln(100)ln(2)1+ln(100)=1+4.6050.6931+4.6050.876,
A=200:qK=1+5.2980.6931+5.2980.890,
A=50:qK=1+3.9120.6931+3.9120.859.